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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf dem Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik
verwertbar und bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen in chemischen
Reaktoren. Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Steuerung
der Reaktantentemperatur während
einer exothermen oder endothermen Reaktion. Die Erfindung stellt
insbesondere ein Steuerungsverfahren für ein System und einen Prozess
eines Reaktors mit leiterplattenartigen Strukturen (PCR) bereit,
das gewährleisten
soll, dass die Reaktantentemperatur einen Wert beibehält, bei
dem die Reaktionsgeschwindigkeit bei einem bestimmten Produktgehalt
so optimal wie möglich
ist.
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Ausgangssituation
der Erfindung
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Zur
Steuerung der Temperatur von Reaktionen innerhalb eines akzeptablen
Bereiches gibt es umfangreiche Forschungsarbeiten und die chemische
Industrie hat verschiedene Anordnungen entwickelt, von denen die üblicherweise
verwendeten in Standardwerken und -texten erörtert werden. So könnte man
zum Beispiel die allgemeine Lehre von Octave LEVENSPIEL in „Chemical
Reaction Engineering",
Kapitel 19, (veröffentlicht durch
John Wiley & Sons)
in Betracht ziehen.
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Zum
Stand der Technik zählt
ein herkömmlicher
Reaktor, mit dem sich die Reaktantentemperatur besser steuern lässt. Dieser
Reaktor ist als adiabatischer Abschnittsfestbettreaktor bekannt.
Dieses System verwendet eine Anordnung mit einer Reihe von voneinander
abgetrennten, mit Zwischenraum angeordneten Reaktionszonen, zwischen
denen sich Mittel befinden, die die Temperatur der Produkte steuern,
wenn die Produkte eine erste Reaktionszone verlassen und bevor sie
in die nächste
Reaktionszone eintreten. Es ist kein Wärmeaustauschmittel zur Steuerung
der Reaktionstemperatur in den Reaktionszonen vorhanden. So bewegt sich
das Reaktantenfluid, das mit einer gewünschten Temperatur in den Reaktor
eintritt, durch ein Festbett, das einen Katalysator enthält. Beim
Verlassen dieses ersten Abschnittes haben das Reaktantengas und
alle Produkte eine Temperatur, die in Abhängigkeit von der thermischen
Kennlinie der Reaktion höher
oder niedriger als die Anfangstemperatur ist. Ein Wärmeaustauscher
erwärmt
dann das Reaktantengas, bevor dieses in das nächste Festbett, also in den
zweiten Abschnitt eintritt, auf eine zweite gewünschte Temperatur bzw. kühlt es auf
diese ab, wobei diese zweite gewünschte
Temperatur der ersten gewünschten
Temperatur entsprechen oder sich von dieser unterscheiden kann.
Diese Aufeinanderfolge wird so lange beibehalten, bis die gewünschte Umwandlung
vollzogen ist. Somit ist das Temperaturprofil der Reaktion innerhalb
eines akzeptablen Temperaturbereiches abgestuft und dadurch nicht
genau isotherm.
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Die
erfindungsgemäß bevorzugte
Wärmeaustauschertafel
besteht aus mehreren Platten, die aufeinander geschichtet und durch
Diffusion miteinander verbunden sind, um einen Plattenstapel zu
bilden, wobei in diesem Stapel im Zuge einer Vorbehandlung der Platten
Fluidkanäle
bestimmt werden, wobei jede Platte auf ihrer Oberfläche im Zuge
einer Behandlung zur Entfernung von Oberflächenmaterial bis zu einer gewünschten Tiefe,
zum Beispiel durch chemisches Ätzen,
hydraulisches Fräsen
oder durch ein ähnliches
Verfahren, entsprechend dem gewünschten
Fluidkanalmuster wahlweise mit Kanälen versehen wird oder von
solchen Kanälen
frei bleibt. Die Wirkung der chemischen Behandlung kann auch durch
eine mechanische Bearbeitung unter Einsatz eines geeigneten Werkzeuges
verstärkt
werden.
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Die
Art und Weise einer solchen Vorbehandlung der Platten entspricht
in gewissem Maße
der Herstellung von Leiterplatten (PCB), weshalb der Aufbau des
Wärmeaustauschers
als der eines Wärmeaustauschers mit
leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) beschrieben werden kann.
In der Metallverarbeitung beherrscht man das Verfahren der Diffusionskontaktherstellung
bei Metallplatten. Dort dient dieses Verfahren verschiedenen Zwecken,
zum Beispiel der Herstellung von medizinischen Prothesen.
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Die
Eignung dieses Aufbaus des PCHE ist durch die Konstrukteure des
vorgeschlagenen PCR-Systems seit dem Jahr 1985, als diese kompakten
Wärmeaustauscher
eingeführt
wurden, unter Beweis gestellt worden.
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Ein
PCR-Reaktor wurde von den Anmeldern der vorliegenden Erfindung konstruiert
und ist Gegenstand einer separaten Patentanmeldung. Ein solcher
Reaktor hat mindestens eine Reaktionszone, die durch einen Wärmeaustauscher
begrenzt wird, der aus mehreren Platten besteht, die aufeinander
geschichtet und durch Diffusion miteinander verbunden sind, um einen
Plattenstapel zu bilden, wobei in diesem Stapel im Zuge einer Vorbehandlung
der Platten Fluidkanäle
bestimmt werden, wobei jede Platte durch eine chemische Behandlung
zur Entfernung von Oberflächenmaterial
bis zu einer gewünschten
Tiefe, zum Beispiel durch chemisches Ätzen, entsprechend dem gewünschten
Kanalmuster wahlweise gestaltet wird. Die in diesem Stapel bestimmten
Fluidkanäle
bieten die Möglichkeit
der Beförderung
mehrerer Reaktantenfluide in Kanälen,
die in einer Wärmeaustauschbeziehung
zu getrennten Kanälen
stehen, die mindestens ein Zusatzfluid zur Steuerung der Temperatur
der Reaktanten enthalten.
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Bei
einem bekannten Ammoniakkonverter zum Beispiel herrscht bei einem
bestimmten Ammoniakgehalt in den Reaktanten eine Temperatur, bei
der die gewünschte
Reaktionsgeschwindigkeit ihren maximalen Wert erreicht. Das liegt
daran, dass die Geschwindigkeit der Ammoniaksynthese das Endergebnis
aus den konkurrierenden Geschwindigkeiten der Vorwärts- und
der Umkehrreaktion ist. Daraus ergibt sich, dass es durch die Überwachung
und Steuerung der Temperatur möglich
ist, eine Temperatur zu bestimmen, die die Vorwärtsreaktion der Produktbildung
gegenüber
der in der Gegenrichtung verlaufenden Produktzerfallsreaktion begünstigt.
Man kann tatsächlich
feststellen, dass einerseits eine erhöhte Temperatur im Allgemeinen
die Reaktionsgeschwindigkeit zwar erhöht und die gewünschte Geschwindigkeit
der Vorwärtsreaktion
der Produktbildung in der Tat mit steigender Temperatur vorteilhaft
zunimmt, andererseits aber bei einer bestimmten Annäherung an
Gleichgewichtsbedingungen die gleichzeitig erhöhte Geschwindigkeit der Umkehrreaktion
zu dominieren und die Gesamtgeschwindigkeit der Synthese zu mindern
beginnt. Der Maximalwert der Umwandlung in einem Bett von einer
bestimmten Größe wird
daher erreicht, wenn die Maximalgeschwindigkeit beibehalten wird
(siehe 1).
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Die
Ammoniaksynthese findet typischerweise bei hohen Drücken von
mehr als 100 Bar statt, weshalb die Schaffung von Bettvolumen relativ
kostspielig ist. Auch der Katalysator selbst ist teuer. Daraus ergibt
sich, dass ein wichtiges Element der Gestaltung eines Ammoniaksynthesereaktors
in dem Versuch besteht, im Bett die Reaktionsgeschwindigkeit so
nahe wie möglich
an ihrem Maximalwert zu halten und somit die Geschwindigkeit der
Ammoniaksynthese in einem Bett von einer bestimmten Größe zu maximieren.
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Zur
Erreichung dieses Zieles sind verschiedene Versuche unternommen
worden, die sich den folgenden Hauptkategorien zuordnen lassen:
- 1. Mehrbettkonverter mit schlagartiger Abkühlung, bei
denen ein kalter Reaktantenzustrom zwischen Katalysatorbetten eingespritzt
wird;
- 2. Konverter mit Rohrkühlung,
bei denen Rohre, die kalte Reaktanten führen, in das Katalysatorbett
eingebettet sind; und
- 3. Mehrbettaustauscher mit indirekter Kühlung, bei denen Wärme den
heißen
Reaktanten entzogen wird, die sich zwischen Betten in Wärmeaustauschern
bewegen, die durch einen kalten Reaktantenzustrom gekühlt werden.
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US-A-3
663 179 offenbart ein Beispiel für
einen Konverter mit schlagartiger Abkühlung mit einem senkrechten
Behälter
bzw. Reaktorbehälter,
der mit einem internen Katalysatorkorb versehen ist, in dem sich
ein Bett oder eine Charge von Katalysatorteilchen befindet. Der
Korb ist mit Zwischenraum zur Behälterwand angeordnet und der
Fluidzustrom, zum Beispiel Synthesegas, wird in den unteren Abschnitt
des Behälters
geleitet, wobei er nicht in den Korb eintritt. Der Fluidzustrom
steigt durch den ringförmigen
Raum zwischen Korb und Behälterwand
nach oben und dient so zur Kühlung
des Behälters
und Isolierung gegen die Wärmewirkungen
oder „heißen Flecken", die vom Katalysatorbett
ausgehen. Der aufsteigende erwärmte
Fluidzustrom wird dann durch einen internen Wärmeaustauscher auf eine geeignete
Katalysetemperatur erwärmt.
Das heiße
Fluid strömt
dann zum Katalysatorbett, in dem die Reaktion erfolgt.
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Im
Katalysatorbett befindet sich ein perforiertes Rohr und ein kaltes,
schlagartig abkühlendes
Fluid, dessen Zusammensetzung der des Zustromes gleichen kann, wird
durch die Rohre geleitet und im heißen Reaktionsgas innerhalb
des Katalysatorbettes verteilt, um eine kühlende Wirkung zu erzielen
und dadurch die katalytische Reaktion abzubremsen.
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Die
Ammoniaksynthese ist eine exotherme Reaktion, die typischerweise
im Temperaturbereich zwischen 350°C
und 500°C
abläuft,
und der Konversionsfaktor ist mit einem typischen Wert von unter
20% relativ gering. Dadurch ist es möglich, dass der in den Reaktor
eingeleitete kalte Zustrom zum Entzug der Reaktionswärme genutzt
wird und gleichzeitig den kalten Zustrom auf die erforderlichen
Reaktionstemperaturen vorwärmt.
Es ist allgemein üblich,
den Zustrom auf diese Art und Weise als Kühlmittel in Ammoniakkonvertern
zu nutzen. Die diesbezüglichen
Dokumente US-A-4 230 669 und US-A-4 230 680 beschreiben einen solchen Konverter,
bei dem der kalte Zustrom zum Entzug der Reaktionswärme genutzt
wird und der auch eine Umführungsleitung
für den
kalten Zustrom einschließt,
so dass ein steuerbares Volumen des kalten Zustromes an den Wärmeaustauschern
vorbeigeleitet werden kann, wodurch sich die Reaktantentemperatur
besser steuern lässt.
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Dieser
Konverter ist ein Beispiel für
einen indirekt gekühlten
Mehrbettaustauscher, wie er im oben aufgeführten Punkt 3 kurz skizziert
wird. Diese Lösung
für die
Bettkühlung
wird von den Fachleuten allgemein bevorzugt. Bei Konvertern nach
dem Stand der Technik ist im Reaktor allerdings nur eine sehr grobe
Einhaltung der Kurve der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit erreichbar,
da es schwierig ist, auf kosteneffektive Art und Weise mehr als
zwei Betten mit Zwischenkühlung
durch den Zustrom anzuordnen. 2 zeigt
die allgemeine Form des Temperaturprofiles, das mit der üblichen
Anordnung mit zwei Abschnitten erreicht wird. Die in den oben erwähnten Dokumenten
US-A-4 230 669 und 4 230 680 vorgeschlagene Anordnung hat sogar
drei Katalysatorbetten, doch selbst hier bleibt noch Raum für eine Verbesserung
der Leistungsfähigkeit
und die Konstruktion kann nicht als kompakt betrachtet werden.
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Weitere
Beispiele für
Ammoniakkonverter werden in der Druckschrift „Ammonia and Synthesis Gas, Recent
and Energy-saving Processes" beschrieben,
die 1981 von F. J. Brykowski herausgegeben und durch die Noyes Data
Corporation veröffentlicht
wurde.
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Reaktorkonstruktion,
die insbesondere bei der Ammoniakumwandlung und ähnlichen Reaktionen verwendbar
und außerdem
relativ kompakt gestaltet ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Demgemäß stellt
diese Erfindung, die hierin noch ausführlicher beschrieben werden
soll, einen Reaktor bereit, einschließend mehrere Reaktionszonen,
die durch Wärmeaustauschertafeln
voneinander abgetrennt sind, aber durch Fluide über die Tafeln miteinander
in Verbindung stehen und dadurch in ihrer Aneinanderreihung einen
Produktionsströmungsweg
bilden, wobei der Reaktor einen Behälter mit einer zylindrisch
gewölbten
Wand und mehreren Wärmeaustauschertafeln
aufweist, wobei die Tafeln von der Wand umschlossen werden und in
einem solchen Winkel zur Wand angeordnet sind, dass sie sich nach
innen zum Inneren des Behälters
hin erstrecken, wodurch zwischen aufeinander folgenden Tafeln und
der Wand mindestens eine Reaktionszone bestimmt wird, und wobei
sich innerhalb der Reaktionszone Ablenkflächen befinden, die sich von einer
Wärmeaustauscherfläche aus
erstrecken, so dass sie eine Begrenzung der Reaktionszone bestimmen und
dem Produktionsströmungsweg
dadurch eine gewünschte
Gestalt geben, wodurch sich der Strömungsweg zwischen einem zentralen
Teil des Reaktors und einem äußeren peripheren
Teil des Reaktors erstreckt.
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Ein
Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass hinsichtlich der
Gesamtgröße und der
dem Reaktor zur Verfügung
stehenden „Stellfläche" eine große Anzahl
von katalytischen Betten innerhalb eines relativ kompakten Reaktors
untergebracht werden kann.
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Der
Reaktorbehälter
ist vorzugsweise zylindrisch und die Wärmeaustauschertafeln sind vorzugsweise radial
um einen Mittelpunkt herum angeordnet, wodurch sie mehrere Sektoren
bestimmen, wobei jeder Sektor mindestens eine Reaktionszone enthält.
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Der
Reaktor kann so gestaltet sein, dass ein fester Stoff, zum Beispiel
ein Katalysator, in der Reaktionszone eingeschlossen werden soll
und dass mindestens eine Wand, die die Reaktionszone begrenzt, ein Sieb
aufweist, das durchlässig
für Reaktionsfluide
ist, aber verhindert, dass ein fester Stoff aus der Reaktionszone
austritt.
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Der
Reaktorbehälter
enthält
vorzugsweise einen Katalysator, der durch Sicherheitssiebe zurückgehalten
wird, wobei die Siebe praktischerweise konzentrisch angeordnet sind,
so dass die katalytische Reaktionszone von diesen konzentrischen
Wänden
eingeschlossen wird.
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Jeder
Sektor ist vorzugsweise auch durch Ablenkflächen in mehrere Reaktionszonen
unterteilt, wobei sich die Ablenkflächen, die vorzugsweise zylindrisch
gewölbt
sind, von einer Wärmeaustauscherfläche aus
erstrecken, um die Reaktionszonen jeweils zu begrenzen, und einen
spiralförmigen
Strömungsweg
zwischen dem Zentrum des Behälters
und der zylindrisch gewölbten
Behälterwand
bilden. Es versteht sich, dass ein spiralförmiger Strömungsweg dadurch gekennzeichnet
ist, dass er in einer Ebene liegt, und dass Reaktanten, die einem
solchen Weg folgen, von einem Mittelpunkt weg- bzw. zu diesem hinströmen. Solche
Ablenkflächen können außerdem Rillen
aufweisen, um die differenzielle thermische Ausdehnung zwischen
verschiedenen Reaktorelementen besser absorbieren zu können.
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Die
Reaktionszone weist typischerweise ein Katalysatorbett auf und Fluidreaktanten
werden so in den Reaktor eingeleitet, dass sie zentral in den Behälter eintreten
und dann in einer Richtung, die spiralförmig nach außen verläuft, den
Produktionsströmungsweg
zwischen aufeinander folgenden Katalysatorbetten durch die zwischen
den Betten angeordneten Wärmeaustauschertafeln
entlangströmen,
um in den äußeren Teil
des Behälters
zu gelangen. So wird im Allgemeinen erfindungsgemäß ein großer Teil
des Behältervolumens
durch einen Katalysator ausgefüllt.
Es leuchtet ein, dass durch die Bewegung des Reaktantenstromes entlang
des nach außen
verlaufenden Weges die effektive Katalysatorbettlänge zunimmt,
so dass eine beträchtliche
Reaktionsstufe auch dann noch erreichbar ist, wenn die vorhandenen
Reaktantenmengen abgereichert werden.
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Ein
Wärmeübertragungsmittel
kann den Wärmeaustauschertafeln
so zugeführt
werden, dass die Strömungsrichtung
im Allgemeinen vom äußeren Teil
des Reaktors nach innen zum Zentrum des Reaktors verläuft. Somit
strömt
das Wärmeübertragungsmittel
in Bezug auf Reaktanten, die vom Zentrum aus nach außen strömen, nach
dem Kreuzstromprinzip. Bei anderen Anwendungen kann das Wärmeübertragungsmittel
vom Zentrum aus zum äußeren Teil
des Reaktors strömen,
wenn eine Mitstromanordnung gewünscht
wird.
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Die
Wärmeaustauschertafeln
sind vorzugsweise durchgängig
Wärmeaustauscher
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE). Bei einer solchen Anordnung
sind die Dimensionen der Wärmeübertragung
typischerweise geringer als die Dimensionen der Katalysatorteilchen,
wodurch gewährleistet
wird, dass die Temperaturprofile, die der Wärmeübertragung auf Fluide in Kanälen innewohnen,
in Bezug auf die Größe der Katalysatorteilchen
nicht signifikant sind. Auch sind die Dimensionen der Wärmeübertragung
im Vergleich zur Betttiefe relativ gering, so dass alle Kanaltemperaturprofile
nur einen sehr kleinen Teil der einzelnen Katalysatorbettlängen einnehmen,
typischerweise zum Beispiel bis zu ca. 200 mm. Das steht im deutlichen
Gegensatz zur Verwendung von Austauscherrohren mit einem Außendurchmesser
von etwa 25 mm nach dem Stand der Technik, die stromabwärts in hohem
Maße Sogströmungen in
den Tempera turprofilen verursachen, die dann notwendigerweise einen
Maßstab
haben, der bedeutend größer als
die einzelnen Katalysatorteilchen ist, und sich über mindestens einen bedeutenden
Teil jedes Katalysatorbettes erstrecken.
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Es
versteht sich, dass die Platten, auf deren Oberflächen durch Ätzen oder
ein ähnliches
Verfahren die geeigneten Kanäle
bestimmt worden sind, aufeinander gestapelt und durch Diffusion
miteinander verbunden werden, um Wärmeaustauschertafeln zu bilden,
und dass derart gebildete Tafeln bei Bedarf aneinander angrenzend
angeordnet und zum Beispiel durch Schweißen miteinander verbunden werden
können,
um eine größere Tafel
von gewünschter
Höhe und
Breite zu schaffen, um eine Anpassung an die erforderliche Querschnittsfläche des
Katalysatorbettes zu gewährleisten.
In manchen Fällen
werden geeigneterweise unbehandelte Platten (ohne geätzte Oberflächen) verwendet,
um eine Tafel zu vervollständigen
und die offene Seite von Kanälen
zu schließen,
die in einer benachbarten, geätzten
Platte vorhanden sind. Wenn hier von Tafeln die Rede ist, so geschieht
das auch praktischen Gründen
und soll keine Begrenzung der Abmessungen nahe legen. Es ist jedoch
offensichtlich, dass die Abmessungen der Wärmeaustauschereinheit je nach
gewählter Reaktorgestaltung
schwanken und dass gegenwärtig
erhältliche
Fertigungsgeräte
einige der praktischen Durchführbarkeit
geschuldete Einschränkungen
hinsichtlich der Tafelgröße mit sich
bringen können,
wenn die Tafel nur aus einem Stück
gebildet wird. Wenn relativ große
Tafeln gebildet werden sollen, können
solche der praktischen Durchführbarkeit
geschuldeten Einschränkungen
leicht überwunden
werden, indem mehrere Tafeln, deren Größe Ausdruck des Leistungsvermögens der
erhältlichen
Geräte
ist, aneinander angrenzend angeordnet und in einem geeigneten Verfahren,
zum Beispiel durch Schweißen,
miteinander verbunden werden. Auf diese Art und Weise können PCHE-Tafeln
von unterschiedlicher Form und Größe konstruiert werden.
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In
einer anschaulichen Anordnung, die hierin noch ausführlicher
beschrieben werden soll, strömen
die Reaktanten durch sechs adiabatische Reaktionszonen, die Katalysatorbetten
enthalten, und fünf
Wärmeaustauschertafeln.
Der Weg des Wärmeübertragungsmittels
kann durch einen einzigen Durchlauf vom äuße ren zum inneren Teil des
Wärmeaustauschers
oder in der Gegenrichtung gekennzeichnet sein.
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Ein
mehrfacher Durchlauf eines Wärmeübertragungsmittels
quer durch den Wärmeaustauscher
kann jedoch vorteilhaft sein, zum Beispiel durch die Anordnung von
schlangenlinienförmigen
Kanälen
in der Wärmeaustauschertafel.
Die Strömungskanäle können nach
einem Zickzackmuster angeordnet sein.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
bewegt sich das Wärmeübertragungsmittel
mehr als einmal entlang der Länge
jeder Wärmeaustauschertafel
und beendet dabei in Abhängigkeit
davon, ob die Anzahl der Durchläufe
ungerade oder gerade ist, seinen Weg entweder an dem Ende, das dem
Ende seines Eintritts in die Tafel gegenüberliegt, oder am Eintrittsende.
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Vorteilhafterweise
wird der kalte Reaktantenzustrom als Wärmeübertragungsmittel verwendet
und strömt
daher radial durch die Wärmeübertragungskanäle der PCHE-Tafeln,
bevor er einem spiralförmigen
Weg durch die Katalysatorbetten und Reaktantenkanäle der PCHE-Tafeln
folgt. In einer bevorzugten Ausführungsform
ermöglicht
eine Umführungsleitung
für den
kalten Zustrom zum ersten Reaktionsabschnitt im Zentrum des Sicherheitsbehälters eine
bessere Steuerung der Reaktanten- und Zustromtemperaturen.
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Das
Temperaturprofil im Reaktantenweg des Reaktors kann durch eine geeignete
Gestaltung des Wärmeaustauschers
im Interesse von Anpassungen hinsichtlich der Wirksamkeit des Wärmeaustausches
an jedem Punkt des thermischen Kontaktes zwischen Reaktanten und
Wärmeaustauschfluiden
gesteuert werden. Diese Anpassungen können hinsichtlich der Modifizierung
der Wärmedurchgangszahlen
erfolgen, und zwar durch Variieren der Krümmung der Strömungswege,
zum Beispiel der Anzahl der Windungen oder Zickzacks und des Winkels
zwischen Krümmungen,
und der Kanalabmessungen. Die Wärmeaustauschfläche kann
durch die Änderung
der Anzahl der Kanäle,
die Fluide durch den Wärmeaustauscher
führen,
modifiziert werden, was am günstigsten
auf der Reaktantenseite des Austauschers erfolgt.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung soll nun anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsformen
ausführlicher
erläutert
werden. Diese Ausführungsformen
werden lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen sind:
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1 ein Diagramm der Gleichgewichts-
und der maximalen Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit der Ammoniaksynthese;
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2 ein Diagramm der allgemeinen
Form eines zweistufigen Ammoniaktemperaturprofiles;
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3 eine schematische Darstellung
der allgemeinen Gestaltung eines Reaktors mit spiralförmiger/radialer
Strömung;
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4 eine schematische Darstellung
eines Reaktors mit spiralförmiger/radialer
Strömung,
der speziell als Ammoniakkonverter ausgeführt ist;
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5 eine schematische Darstellung
einer alternativen Ammoniakkonverteranordnung mit einer Umführungsleitung
für den
kalten Zustrom;
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6 eine Darstellung der Strömungsanordnung
des kalten Zustromes mit mehrfachem Durchlauf in einer PCHE-Tafel;
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7 ein Diagramm der allgemeinen
Form eines sechsstufigen Ammoniaktemperaturprofiles;
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8 ein Diagramm des Umwandlungsprofiles
in einem zweistufigen und einem sechsstufigen Ammoniakkonverter;
und
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9 eine schematische Darstellung
der allgemeinen Gestaltung eines Mehrbettreaktors mit spiralförmiger/radialer
Strömung
unter Verwendung von geraden Ablenkflächen.
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10 ist eine schematische
Darstellung der allgemeinen Gestaltung eines Reaktors in Form eines Ammoniakkonverters,
bei dem das Katalysatorbett zwischen Sicherheitssieben eingeschlossen
ist.
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11 ist eine schematische
Darstellung der allgemeinen Gestaltung eines Reaktors in Form eines Ammoniakkonverters
mit einer Umführungsleitung
für den
kalten Zustrom, bei dem das Katalysatorbett zwischen Sicherheitssieben
eingeschlossen ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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3 zeigt das allgemeine Prinzip
des Reaktors mit spiralförmiger/radialer
Strömung.
Es ist eine Sicherheitshülle 1 zu
sehen, in der acht PCHE-Kerne 2 in gleichmäßigen Abständen radial
um die Mittelachse der Sicherheitshülle 1 herum angeordnet
sind. An jedem Ende jedes PCHE-Kernes 2 befindet sich ein
Kühlmittelverteiler 3.
Der Verteiler 3 an der Mittelachse der Sicherheitshülle 1 ist
ein Universalverteiler für
alle PCHE-Kerne 2.
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Zwischen
den PCHE-Kernen 2 befinden sich, beginnend am inneren Ende
der PCHE-Kerne 2, Katalysatorbetten 5, die zylindrisch
gewölbt
sind, so dass jedes nachfolgende Bett 5 eine jeweils größere radiale Entfernung
von der Längsachse
der Sicherheitshülle 1 aufweist,
wodurch eine Spirale entsteht. Eine unterschiedliche Katalysatorbettspirale 5 beginnt
am inneren Ende jedes PCHE-Kernes 2.
Katalysatorbetten, die Teil einer bestimmten Spirale sind, sind
durch Ablenkflächen 8 von
den Katalysatorbetten anderer Spiralen abgetrennt. Da die Betten 5 spiralförmig zwischen
den PCHE-Kernen 2 angeordnet sind, nimmt die effektive Weglänge durch
ein Katalysatorbett 5 zwischen Wärmeaustauschertafeln mit zunehmender
radialer Entfernung des Bettes zur Längsachse der Sicherheitshülle tendenziell
zu.
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Im
einfachsten Fall ist der Kühlmittelweg 6 durch
einen einzigen Durchlauf vom äußeren zum
inneren Umfang gekennzeichnet, obwohl in Abhängigkeit von den Umständen auch
ein Durchlauf in der Gegenrichtung möglich ist. Während des
Betriebes folgen die Reaktanten im Kreuzstromkontakt dem Reaktantenweg 7 durch sechs
Betten 5 und fünf
Wärmeaustauschertafeln 2.
Dabei ist zu beachten, dass durch die zunehmende Länge jedes
Bettes 5 eine beträchtliche
Reaktionsstufe auch dann noch erreichbar ist, wenn die Reaktanten
abgereichert werden.
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4 zeigt eine verbesserte
Version der vorliegenden Erfindung in spezieller Anpassung an die
Ammoniaksynthese. In dieser Ausführungsform
sind keine Verteiler vorhanden. Die aus den Katalysatorbetten 5 austretenden
Reaktanten werden durch den kalten Reaktantenzustrom gekühlt. Die
kalten Reaktanten werden zum äußeren Umfang
geleitet und durch Ablenkflächen 8 von
den Katalysatorbetten 5 getrennt. Der kalte Zustrom 9 strömt durch
die PCHE-Tafeln 2 radial ein und wird durch die aus den
vorangehenden adiabatischen Betten 5 austretenden Reaktanten
fortlaufend erwärmt,
bis er die Reaktionstemperatur der ersten Reaktionsstufe erreicht
hat. Nach ihrem Austreten aus dem PCHE-Kern 2 treten die Reaktanten
in das erste Katalysatorbett ein und werden von Ablenkflächen 8 durch
aufeinander folgende PCHE-Kühlkerne 2 und
Katalysatorbetten 5 (von im Allgemeinen zunehmender Länge) spiralförmig nach
außen
geleitet. Nach seinem Austreten aus dem letzten Katalysatorbett
wird der Produktstrom durch Ablenkflächen gesammelt und zu einer
Ausgangsdüse
geleitet.
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Bei
der Anwendung einer solchen Anordnung auf einen Großkonverter
beträgt
der Durchmesser der in 4 gezeigten
Baugruppe ca. 1800 mm, wodurch sie in einen Behälter passt, der einen Innendurchmesser von
2 m hat. Die PCHE-Tafeln
haben einen Querschnitt von ca. 45 × 500 mm, wobei jeder Querstromdurchlauf der
Reaktanten in einer Breite von ca. 100 mm verläuft. Der Querschnitt des Reaktantenstromes
beträgt
daher ca. 0,8 m2 pro Meter Höhe und die
Strömungslänge ca.
2,6 m. Ungefähr
1,9 m3 Katalysatorvolumen sind pro Meter
Höhe enthalten.
Durch die Modifizierung der Anzahl der radialen PCHE- Speichen und der
Breite des Reaktantenstromes sind zweifellos verschiedene Kombinationen
der Strömungsfläche und
Weglänge
durch das Bett erreichbar.
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5 zeigt eine alternative
Anordnung. In dieser Ausführungsform
ermöglicht
eine Umführungsleitung für den kalten
Zustrom zum ersten Reaktionsabschnitt im Zentrum des Sicherheitsbehälters die
Steuerung der Reaktanten- und Zustromtemperaturen. Der kalte Zustrom
tritt zum Beispiel durch Öffnungen,
Düsen oder
gesinterte Stopfen aus dem zentral angeordneten Zuführungsrohr
der Umführungsleitung
aus. Eine weitere Verbesserung, die zur Steuerung der Temperaturen
beiträgt,
stellt die Tatsache dar, dass sich der Hauptzustrom mehr als einmal
entlang der Länge
der PCHE-Tafel bewegen kann (siehe 6).
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7 veranschaulicht, mit welch
hervorragendem Ergebnis (im Vergleich zum zweistufigen Konverter in 2) eine Annäherung an
die maximale Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit erreichbar ist,
wenn die Reaktion in sechs Abschnitten abläuft. 8 veranschaulicht die verbesserte Umwandlung
von Reaktanten in Produkte, die durch die Verwendung eines sechsstufigen
Konverters an Stelle eines zweistufigen Konverters erreichbar ist,
wobei das Gesamtkatalysatorvolumen konstant bleibt. Es ist zu sehen,
dass sich die Gesamtumwandlung von ca. 18,5% auf ca. 22,5% steigern
lässt.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, wobei gleiche Teile gleiche Bezugszeichen tragen.
Insbesondere wird jedes Katalysatorbett 10' durch gerade Ablenkflächen 8' begrenzt, wohingegen
in den vorherigen Ausführungsformen
die Betten 10 durch zylindrisch gewölbte Ablenkflächen 8 begrenzt
werden. Diese Ausführungsform
weist somit in der einfachsten Reaktoranordnung in 3 eine Aneinanderreihung von im Wesentlichen
geraden Betten 10' auf.
Eine Aneinanderreihung solcher geraden Katalysatorbetten 10' kann aber auch
bei den anderen Reaktorausführungsformen,
die hierin beschrieben sind, verwendet werden. Die „geraden" Betten bieten insgesamt
gesehen immer noch die Vorteile eines im Wesentlichen radial nach
außen
verlaufenden spiral förmigen
Strömungsweges 11', der dabei
auch durch die quer zu ihm angeordneten PCHE-Tafeln verläuft.
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Wie
bei den Reaktoren mit zylindrisch gewölbten Betten strömt das Kühlmittel
durch die Betten 10' vom
inneren zum äußeren Umfang
oder umgekehrt und jedes Bett 10' stellt einen Strömungsweg
bereit, dessen Länge
in dem Maße
zunimmt, wie sich die Reaktanten immer weiter vom Zentrum des Reaktors
entfernen.
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9 zeigt auch, wie einfach
es ist, die Anzahl der von den Reaktanten durchströmten Betten 10' zu erhöhen. Durch
eine relativ geringe Erhöhung
der Gesamtgröße des Reaktors
(im Vergleich zu einem entsprechenden geraden Reaktor in linearer
Anordnung) kann der Reaktantenweg 11' auf wirksame Art und Weise beträchtlich
verlängert
werden. So verläuft
der Weg im Beispiel von 9 durch
mehr als zwanzig Katalysatorbetten 10' und eine entsprechende Anzahl
von PCHE-Tafeln 12.
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10 zeigt einen Ammoniakkonverter,
bei dem die Katalysatorbetten 5 zwischen zwei konzentrischen
Sieben 13 eingeschlossen sind. Die konzentrischen Siebe 13 können den
Belastungen, die das Einschließen
des Katalysators mit sich bringt, besser widerstehen. 11 zeigt einen ähnlichen
Ammoniakkonverter, aber mit einer Umführungsleitung für den kalten
Zustrom zum ersten Reaktantenabschnitt wie in 5.
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Die
hauptsächlichen
Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind
folgende:
- 1. Die Baugruppe passt problemlos
in einen zylindrischen Behälter.
Das ist besonders dann wichtig, wenn die Reaktanten unter Hochdruck
stehen.
- 2. Ein großer
Teil des Behältervolumens
wird durch einen Katalysator ausgefüllt und eine große Anzahl
von Betten kann untergebracht werden.
- 3. Wenn sich der Reaktantenstrom spiralförmig nach außen bewegt,
nimmt die Bettlänge
mit fortschreitender Reaktion zu, so dass eine beträchtliche
Reaktionsstufe auch dann noch erreichbar ist, wenn die Reaktanten
abgereichert werden.
- 4. In Abhängigkeit
davon, ob ein absteigendes oder ein aufsteigendes Profil vorteilhaft
ist, kann das Kühlmittel
in Bezug auf den Reaktantenstrom entweder nach dem Kreuzstrom- (von
außen
nach innen) oder dem Mitstromprinzip (von innen nach außen) strömen.
- 5. Bei sehr hohen Umlaufgeschwindigkeiten des Kühlmittels
oder bei Phasenumwandlung können
die Betten nahe am isothermen Zustand gehalten werden.
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Gewerbliche
Verwertbarkeit
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Die
erfindungsgemäßen Reaktorausführungen
und der erfindungsgemäße Prozess
zur Durchführung von
chemischen Reaktionen unter gesteuerten Temperaturbedingungen, die
hierin offenbart sind, sind auf dem Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik
verwertbar und in einem breiten Spektrum chemischer Reaktionen im
gewerblichen Maßstab
nutzbringend einsetzbar, können
aber auch an Anwendungen im kleineren Maßstab, zum Beispiel Laborarbeiten
und Arbeiten in Pilotanlagen, angepasst werden.
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Beschriftung der Zeichnungen
-
Die
Figuren enthalten folgende Begriffe (in alphabetischer Reihenfolge):
| 2-stage | zweistufig |
| 6-stage | sechsstufig |
| Ammonia | Ammoniak |
| Bed | Bett |
| Bed
length | Bettlänge |
| Equilibrium | Gleichgewicht |
| Heat
exchange | Wärmeaustausch |
| Maximum
ammonia reaction rate | maximale
Ammoniakreaktionsgeschwindigkeit |
| Maximum
rate | maximale
Geschwindigkeit |
| Six-stage
ammonia converter | sechsstufiger
Ammoniakkonverter |
| Temperature | Temperatur |
| Two-stage
ammonia converter | zweistufiger
Ammoniakkonverter |